zigbee网络体系结构

Zigbee体系

Zigbee的体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上一层提供特定的服务:即由于数据服务实体提供数据传输服务;管理实体提供所有的其她管理服务。

每个服务实体通过相应的服务接入点(SAP)为其上层提供一个接口,每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。

Zigbee网络体系结构

IEEE仅处理低级MAC层与物理层协议,因此zigbee联盟对其网络层协议与API进行了标注化,zigbee联盟还开发了安全层。

Zigbee物理层

物理层定义了物理无线信道与MAC子层之间的接口,提供物理层数据服务与物理层管理服务

物理层数据服务从无线物理信道上收发数据。

物理管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。

物理层内容:

（1）zigbee的激活

（2）当前信道的能量检测

（3）接收链路服务质量信息

（4）Zigbee信道接入方式

（5）信道频率选择

（6）数据传输与接收

MAC层:

MAC层负责处理所有的物理无线信道访问,并产生网络信号、同步信号;支持PAN连接与分离,提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。

MAC层数据服务:保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中正确收发

MAC层管理服务:维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。

MAC层功能“

（1）网络协调器产生信标;

（2）与信标同步

（3）支持PAN链路的建立与断开

（4）为设备的安全性提供支持

（5）信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入(CSMA-CA)机制

（6）处理与维护保护时隙(GTS)机制

（7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路

网络层

Zigbee协议栈的核心部分在网络层,网络层主要实现节电加入或离开网络、接收或抛弃其她节点、路由查找及传送数据等功能,支持Cluster-Tree等多种路由算法,支持星行、树形、网络拓扑结构。下图为拓扑结构

网络层功能

（1）网络发现

（2）网络形成

（3）容许设备连接

（4）路由器初始化

（5）设备网络连接

（6）直接将设备同网络连接

（7）断开网络连接

（8）重新复位设备

（9）接收机同步

（10）信息库维护

应用层

Zigbee应用层框架包括应用支持层(ASP)、zigbee设备对象(ADO)与制造商所定义的应用对象

应用支持层的功能包括:维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。所谓绑定就就是基于两台设备的服务与需求将她们匹配地连接起来

Zigbee设备对象的功能包括:定义设备在网络中的角色(如zigbee协调器与终端设备),发起与响应绑定请求,在网络设备之间建立安全机制。Zigbee设备对象还负责发现网络中的设备,并且决定向她们提供何种应用服务。

Zigbee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外,一个重要的功能就是应用者可在这层定义自己的应用对象。

ZigBee网络拓扑结构显示

实验二ZigBee网络拓扑结构显示【实验目的】 1、熟悉Qt编写程序的方法； 2、了解Qt显示ZigBee网络拓扑结构的工作原理；【实验设备】 1、装有RedHat AS5系统或装有RedHat AS5虚拟机的PC机一台； 2、物联网开发设计平台一套；【实验要求】使用Qt为ZigBee网络编写拓扑结构； 1、编程要求：使用提供的API函数编写应用程序； 2、实现功能：构建ZigBee网络拓扑结构； 3、实验现象：显示网络的拓扑结构；【实验原理】本实验箱针对Qt下，将服务程序的API做了一定的封装，并提供了非常方便使用的接口函数，可以让用户在Qt环境下绘制Zigbee网络的拓扑结构。这些函数都被封装在一个叫做TopologyWidget的类中，它们的详细介绍如下：【函数原型】void TopologyWidget::SetTopologyArea(const QString &ip, QScrollArea *area); 【功能】设置用来显示拓扑图的滚动区域控件【参数】ip: 运行服务程序的网关（计算机）的IP地址area: 用来显示拓扑图的滚动区域控件【返回值】无【头文件】使用本函数需要包含"topologywidget.h" 【函数原型】void TopologyWidget::UpdateTopologyArea(QScrollArea *area); 【功能】立即刷新滚动区域控件中的拓扑图【参数】area: 用来显示拓扑图的滚动区域控件【返回值】无【头文件】使用本函数需要包含"topologywidget.h" 在实际应用中，用户需要首先在界面中放置一个，假设其名称为“scrollArea”，只需要在窗体的构造函数中，完成了setupUi的操作之后，调用TopologyWidget::SetTopologyArea函数即可使拓扑图显示在这个滚动区域中，参考下面的代码。 Widget::Widget(QWidget *parent) : QWidget(parent), ui(new Ui::Widget) { ui->setupUi(this); // 将界面中的scrollArea设置为用来显示拓扑图 TopologyWidget::SetTopologyArea("127.0.0.1", ui->scrollArea); } 【实验步骤】 1.双击打开桌面上的VMware Player。如图 2.1所示；

ZigBee 协议架构

根据应用和市场需要定义了ZigBee 协议的分层架构，其协议的体系结构如图1 所示，其中物理层（physical layer，PHY）和媒介访问控制层（medium access control sub-layer,MAC）是由IEEE802.15.4-2003 标准定义的，在这个底层协议的基础上ZigBee 联盟定义了网络层（network layer,PHY）和应用层（application layer,APL）架构. 图1 zigbee协议栈体系结构物理层规范物理层定义了它与MAC 层之间的两个接口：数据服务接口PD-SAP 和管理服务接口PLME-SAP，其中PD-SAP 接口还为物理层提供了相应的数据服务，负责从无线物理信道上收发数据，而PLME-SAP 接口同时为物理层提供相应的管理服务，用于维护一个由物理层相关数据组成的数据库。物理层负责数据的调制、发送和接收、空闲信道评估（clear channel assessment,CCA）信道能量的监测（energy detect,ED）和链接质量指示（link quality indication，LQI）等。物理层帧结构由同步头、物理层帧头和物理层有效载荷三部分组成，如表1 所示。

同步头又包括32bit 的前同步码和8bit 的帧定界符，前同步码用来为数据收发提供码元或数据符号的同步；帧界定符用来标识同步域的结束及数据的开始。物理层帧头包括7bit 的帧长度和1bit 的预留位，帧长度定义了物理层净荷的字节数。物理层有效载荷就是MAC层的帧内容。表一物理层帧格式媒体接入控制层规范 MAC 层定义了它与网络层之间的接口，包括提供给网络层的数据服务接口MLDE-SAP 和管理服务接口MLME-SAP，同时提供了MAC 层数据服务和MAC 层管理服务。MAC层数据服务主要实现数据帧的传输；MAC 层管理服务主要负责媒介访问控制、差错控制等。 MAC 层主要功能包括以下几个方面：（1）ZigBee 协调器产生网络信标（2）设备与信标同步（3）支持节点加入或着退出操作（4）信道接入方式采用免冲突载波检测多路访问（CSMA-CA）机制（5）建立并维护保护时隙机制（6）为设备提供安全支持 MAC 帧格式由三个基本部分组成：MAC 帧头、MAC 帧载荷和MAC 帧尾。不同类型的MAC 帧，其帧头和帧尾都是一样的，只是MAC 帧载荷有差别，通用MAC 帧格式如表2所示。表二通用MAC帧格式网络层规范网络层定义了它与应用层之间的接口，包括提供给应用层的数据服务接口NLDE-SAP和管理服务接口NLME-SAP , 同时提供了网络层数据服务和网络层管理服务。网络层主要负责拓扑结构的建立和网络的维护，具体的功能如下：（1）初始化网络，即建立一个新的包含协调器、路由器和终端设备的网络（2）设备连接和断开时所采用的机制（3）对一跳邻居节点的发现和相关节点信息的存储（4）ZigBee 协调器和路由器为新加入节点分配短地址

ZigBee和短距离通信的那些事

基于ZigBee的短距离无线通信网络技术近年来，各种无线通信技术迅猛发展，极大提高了人们的工作效率和生活质量。然而，在日常生活中，我们仍然被各种电缆所束缚，能否在近距离范围内实现各种设备之间的无线通信?纵观目前发展较成熟的几大无线通信技术，往往比较复杂，不但耗费较多资源，成本也比较高，并不适用于短距离无线通信的场合。蓝牙技术的出现使得短距离无线通信成为可能，但是其协议较复杂、功耗高、成本高等特点不太适用于要求低成本、低功耗的工业控制和家庭网络。本文介绍了一种复杂度、成本和功耗都很低的低速率短距离无线接入技术——ZigBee。该技术主要针对低速率传感器网络而提出，它能够满足小型化、低成本设备（如温度调节装置、照明控制器、环境检测传感器等）的无线联网要求，能广泛地应用于工业、农业和日常生活中。二、ZigBee技术的特点及应用 ZigBee技术主要用于无线个域网（WPAN），是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的。IEEE802.15.4定义了两个底层，即物理层和媒体接入控制（MediaAccess Control，MAC）层；ZigBee联盟则在IEEE 802.15.4的基础上定义了网络层和应用层。ZigBee联盟成立于2001年8月，该联盟由Invensys、三菱、摩托罗拉、飞利浦等公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入，其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本、对数据速率和QoS（服务质量）要求不高的无线通信应用场合。 ZigBee这个名字来源于蜂群的通信方式：蜜蜂之间通过跳Zigzag形状的舞蹈来交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。与其它无线通信协议相比，ZigBee无线协议复杂性低、对资源要求少，主要有以下特点：低功耗：这是ZigBee的一个显著特点。由于工作周期短、收发信息功耗较低、以及采用了休眠机制，ZigBee终端仅需要两节普通的五号干电池就可以工作六个月到两年。低成本：协议简单且所需的存储空间小，这极大降低了ZigBee的成本，每块芯片的价格仅2美元，而且ZigBee协议是免专利费的。

ZigBee技术发展及其特点

第2章 ZigBee技术及协议分析 ZigBee技术的发展及其特点]1[ 长期以来，低成本、短距离、低传输率、低功率的无线通讯市场一直存在着。蓝牙（Bluetooth）技术的出现曾让玩具制造商、家庭自动化控制以及工业控制等业界从业者兴奋不已，尽管蓝牙技术有很多优点，但是高昂的价格和其存在的技术缺陷严重影响了这些厂商的使用意愿。对于工业控制、家庭自动化控制等领域而言，蓝牙技术过于复杂、功耗过大、距离近、组网规模达不到应用要求等，而工业自动化等领域对无线通信的需求越来越大。因此，经过人们的努力，于2004年正式推出了ZigBee协议规范。 “HomeRF Lite” 2004年（又称ZigBee2004）诞生，它是ZigBee的第一个规范，这使得ZigBee有了自己的发展基本标准。但是由于推出仓促存在很多不完善的地方，因此在2006年进行了标准的修订，推出了（又称ZigBee2006），但是该协议与是不兼容的。相较于做了很多修改，但是仍无法达到最初的设想，于是在2007年再次修订（称为ZigBee2007/PRO），能够兼容之前的ZigBee2006，并且加入了ZigBee PRO部分，此时ZigBee联盟更专注于以下三种应用类型的拓展：家庭自动化（HA）、建筑/商业大楼自动化（BA）以及先进抄表基础建设（AMI）。随着ZigBee标准的完善以及各软件以及硬件厂商的不断努力，用于ZigBee开发的软硬件正趋于完善，ZigBee技术的实用化不断推进，其使用领域不断拓展。使ZigBee 技术在2004年就被列为当今世界发展最快、市场前景最广阔的十大高新技术之一。 ZigBee技术有以下几个方面的特点：（1）短时延。通信时延以及休眠状态激活时延都很短，通常在15ms至30ms间。（2）高可靠性。采用了CSMA/CA（碰撞避免）机制，而且为需要固定带宽的通信业务预留了专用的时隙，从而避免了发送数据时可能出现的竞争和冲突；节点模块间有自动动态组网功能，信息在整个ZigBee网络中是通过自动路由方式传输的，这样可以保证信息的可靠传输。（3）低数据率。数据传输率在10kb/s到250kb/s之间。（4）低功耗。两节五号电池即可使用6个月至2年，免去了经常更换电池或者是充电的麻烦。（5）低成本。ZigBee的低数据传输率，简单的协议，都大大降低了成本，而且ZigBee

zigbee网络自组织结构的研究

毕业论文（设计） Zigbee传感器网络自组织结构研究学生姓名：朱伟指导教师：张妍（讲师）专业名称：通信工程所在学院：信息工程学院 2012年6 月

目录摘要......................................................... I Abstract .................................................... I I 第一章前言.. (1) 1.1 研究目的和意义 (1) 1.2 国内外研究现状 (1) 1.3 研究内容和方法 (1) 第二章ZigBee技术 (2) 2.1 Zigbee技术 (2) 2.2 Zigbee节能技术探讨 (3) 2.3 Zigbee协议栈 (4) 2.4 原语概念 (7) 2.5 Zigbee网络数据传递机制 (7) 第三章Zigbee传感器自组织网络节点通信 (10) 3.1 Zigbee自组织网络优点 (10) 3.2 Zigbee自组织网络多跳路由通信流程 (10) 3.3 通信实现的流程 (15) 第四章Zigbee网络组网方案 (17) 4.1 组网方案概述 (17) 4.2 Zigbee网络拓扑 (17) 4.3 Zigbee组网流程 (20) 4.4 Zigbee树路由算法 (22) 第五章ZigBee传感器自组织网络在机电监测系统中的应用 (26) 5.1 基于Zigbee传感器网络的机电监测系统的构建 (26) 5.2 Zigbee传感器节点的设计和测量点的选择 (28) 5.3 基于Zigbee传感器的机电监控系统自组织网络拓扑结构 (28) 5.4 Zigbee传感器节点数据传输流程 (29) 第六章结论与建议 (31) 致谢 (32) 参考文献 (33)

第三章 ZigBee 无线网络技术

第三章ZigBee 无线网络技术 3.1 ZigBee无线网络技术的特点 ZigBee技术主要用于无线个域网（WPAN），是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的。IEEE802.15.4定义了两个底层，即物理层和媒体接入控制（Media Access Control，MAC）层；ZigBee联盟则在IEEE 802.15.4的基础上定义了网络层和应用层。ZigBee联盟成立于2001年8月，该联盟由Invensys、三菱、摩托罗拉、飞利浦等公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入，其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本、对数据速率和QoS（服务质量）要求不高的无线通信应用场合。 ZigBee这个名字来源于蜂群的通信方式：蜜蜂之间通过跳Zigzag形状的舞蹈来交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。与其它无线通信协议相比，ZigBee无线协议复杂性低、对资源要求少，主要有以下特点： (1)低功耗：这是ZigBee的一个显著特点。由于工作周期短、传输速率低，发射功率仅为lmw，以及采用了休眠机制，因此ZigBee设备功耗很低，非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。 (2)低成本：协议简单且所需的存储空间小，这极大降低了ZigBee的成本，每块芯片的价格仅2美元，而且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。(3)时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。这样一方面节省了能量消耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合，例如一些应用在工业上的传感器就需要以毫秒的速度获取信息，以及安装在厨房内的烟雾探测器也需要在尽量短的时间内获取信息并传输给网络控制者，从而阻止火灾的发生。 (4)传输范围小：在不使用功率放大器的前提下，ZigBee节点的有效传输范围一般为10-75m，能覆盖普通的家庭和办公场所。 (5)网络容量大:根据ZigBee协议的16位短地址定义，一个ZigBee网络最多可以容纳65535个节点，而且还可以通过64位的IEEE地址进行扩展，因此ZigBee网络的容量是相当大的。 (6)数据传输速率低：2.4GHz频段为250kb/s，915MHz频段为40kb/s，868MHz频段只有20kb/s。 (7)可靠:采取了免冲撞机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。媒体接入控制子层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包

zigbee的系统结构和组网方式

简介 ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据传输速率的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案。ZigBee是建立在IEEE802.15.4标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。IEEE802.15.4标准定义了ZigBee协议的PHY层和MAC层。PHY层规范确定了在2.4GHz(全球通用的ISM频段)以250kb/s的基准传输率工作的低功耗展频无线电以及另有一些以更低数据传输率工作的915MHz（北美的ISM频段）和868MHz（欧洲的ISM频段）的实体层规范。MAC层规范定义了在同一区域工作的多个IEEE802.15.4无线电信号如何共享空中通道。为了促进ZigBee技术的发展，2001年8月成立了ZigBee联盟，2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电子公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加入“ZigBee联盟”，目前该联盟已经有150多家成员，以研发名为ZigBee的下一代无线通信标准。正如前面所述，ZigBee不仅仅只是802.15.4的名字，IEEE802.15.4仅处理低级MAC层和PHY层协议，所以ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化，还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识。 ZigBee的组成和构网方式 1.FFD和RFD 利用zigbee技术组件的无线个人区域网（WPAN）是一种低速率的无线个人区域网（LR WPAN），这种低速率个人区域网的网络结构简单、成本低廉，具有有限的功率和灵活的吞吐量。在一个LR WPAN网络中，可同时存在两种不同类型的设备，一种是具有完整功能的设备（FFD），另一种是简化功能的设备（RFD）。在网络中，FFD通常有3中工作状态：（1）作为个人区域网络（PAN）的主协调器；（2）作为一个普通协调器；（3）作为一个终端设备。FFD可以同时和多个RFD或其他FFD通信。而RFD则只用一种工作状态即作为一个终端设备，并且一个RFD只能和一个FFD通信。2.ZigBee的体系结构 ZigBee体系结构主要有物理（PHY）层、媒体接入控制（MAC）层、网络/安全层以及应用框架层构成，如下图所示：

zigbee网络中的信息传输方式

Zigbee网络中的消息传输方式 1、广播广播是zigbee网络中的一种数据传输方式，它是由网络中的一个节点向其它节点发送消息的过程。在zigbee网络中协调器，路由器和macRxOnWhenIdle域值为TRUE的终端设备可以参与广播转发，其余节点不参与。能够接受广播帧的目的节点由广播帧中的目的地址来确定，不同的广播地址及其对应接收节点类型如下表所示：在所有参与广播的节点中都需要维护一个包含若干条广播事务记录（Broadcast Transaction Rcord，BTR）的广播事务表（Broadcast Transaction Table，BTT），该表用来记录哪些节点已经成功转发了广播帧。一个节点接收到一个广播帧时首先检查帧中的目的地址和自己的设备类型是否相符。不相符则丢弃；相符的话设备从本地BTT中查找相应的BTR，若干存在，则对其进行更新；若不存在，则检查BTT 中是否有空的或者过期的BTR项。如果没有，则丢弃广播帧；若有则添加新的BTR项并将广播帧提交到高层进行处理。若节点属性中radius值不为0或者该设备不是终端设备则转发该帧。BTT表中每个BTR都有有效期，在有效期过后，设备会将该BTR定义为失效以便后续写入新的BTR。MAC PIB属性macRxOnWhenIdle值为FALSE的zigbee路由器接收到广播帧后将会以单播的形式将该帧发送到其邻居节点。如果一个节点接收到一个广播帧后节点查找BTT中的广播帧序列号发现其另外一个邻居已经广播了该帧，则节点将忽略该广播帧。为了方便重发广播帧，每个zigbee路由器的NWK层至少能够缓存1帧数据。Zigbee中广播的主要用于路由发现。广播过程如下图所示：

ZigBee无线网络和收发器(葵花宝典中文版)

由于国内暂时还没有该文献的中文版本，而ZigBee Wireless Networks and Transceivers又是ZigBee界的葵花宝典，为了自己更好的学习，所以决定将比较多的蛋疼的时间拿出来做点有意义的事，虽然翻译水平不是很高，但是在翻译的过程中肯定能得到进步，最关键的就是检验自己的毅力，看看能否坚持。在这个过程中，如果还能帮到一些正在入门ZigBee的朋友那就更好了。废话不多说，开始 ZigBee Wireless Networks and Transceivers ZigBee无线网络和收发器 1第一章ZigBee基础本章主要介绍了短距离无线网络通信的ZigBee标准，本章的主要目的就是对ZigBee的基础特性进行一下简单的概述，包括它的网络拓扑、信道访问机制和每个协议层所扮演的角色，在后续章节中对本章所讨论的内容有详细的解释。 1.1 什么是ZigBee? ZigBee是为低数据速率、短距离无线网络通信定义的一系列通信协议标准。基于ZigBee的无线设备工作在868MHZ, 915MHZ和2.4Z频带。其最大数据速率是250Kbps. ZigBee技术主要针对以电池为电源的应用，这些应用对低数据速率、低成本、更长时间的电池寿命有较高的需求。在一些ZigBee应用中，无线设备持续处于活动状态的时间是有限的，大部分时间无线设备是处于省电模式（也称休眠模式）的。因此，ZigBee设备在电池需要更换以前能够工作数年以上。 ZigBee的其中一个应用就是室内病人监控。例如，一个病人的血压，心率可以通过可穿戴设备测量出来，病人戴的ZigBee设备来周期性的收集血压等健康相关的信息，然后这些数据被无线传送到当地服务器，例如病人家中的一台个人电脑，电脑再对这些数据进行初始分析，最后重要的信息通过互联网被发送到病人的护士或者内科医生那里做进一步的分析。另一个ZigBee的应用例子就是大型楼宇结构安全的监控。在此应用中，一个建筑内可以安装数个ZigBee无线传感器（如加速度计），所有的这些传感器形成一个网络来收集信息，这些收集来的信息可以用于评估建筑的结构安全和潜在的损坏标志，例如，地震后一个建筑在重新开放前可能需要进行检测。而传感器收集到的数据有助于加速和减少检测的花费。在第二章中还提供了一些其他ZigBee的应用例子。 ZigBee标准是由ZigBee联盟所开发的，该联盟有数百个成员公司，从半导体产业和软件开发者到原始设备生产商、安装商。ZigBee联盟是2002年创立的

zigbee网络建立与加入

协议栈如何辨别设备类型？

在上图中可以看到协调器建立网络的步骤以及路由器和终端加入网络的过程，但协议栈究竟如何区分设备类型，仅从图中无法看出。在ZDApp.c文件中，ZDOInitDevice( uint16 startDelay )函数调用了ZDAppDetermineDeviceType()函数，函数原型： /********************************************************************* * @fn ZDAppDetermineDeviceType() * @brief Determines the type of device to start. * * Looks at zgDeviceLogicalType and determines what type of * device to start. The types are: * ZG_DEVICETYPE_COORDINATOR * ZG_DEVICETYPE_ROUTER * ZG_DEVICETYPE_ENDDEVICE * * @param none * @return none */ void ZDAppDetermineDeviceType( void ) { if ( zgDeviceLogicalType == ZG_DEVICETYPE_COORDINATOR ) { devStartMode = MODE_HARD; // Start as a coordinator

ZDO_Config_Node_Descriptor.LogicalType = NODETYPE_COORDINATOR; } else { if ( zgDeviceLogicalType == ZG_DEVICETYPE_ROUTER ) ZDO_Config_Node_Descriptor.LogicalType = NODETYPE_ROUTER; else if ( zgDeviceLogicalType == ZG_DEVICETYPE_ENDDEVICE ) ZDO_Config_Node_Descriptor.LogicalType = NODETYPE_DEVICE; // If AIB_apsUseExtendedPANID is set to a non-zero value by commissioning // The device shall do rejoin the network. Otherwise, do normal join if ( nwk_ExtPANIDValid( AIB_apsUseExtendedPANID ) == false ) { devStartMode = MODE_JOIN; // Assume joining } else { devStartMode = MODE_REJOIN; } }

Zigbee网络原理与应用教案

计算机与信息技术学院课程教案专业物联网工程课程Zigbee网络原理与应用讲授人姚建峰 2015 年 9月10日

(一) 课程名称：Zigbee网络原理与应用 (二) 学时学分：周4学时，3学分 (三) 预修课程：电子线路、数字逻辑、计算机组成原理、高级语言程序设计 (四) 使用教材 ZigBee技术与实训教程――基于CC2530的无线传感网技术，清华大学出版社，2014年5月第1版 (五) 教学参考书(3本以上) 1、李文仲编著：《Zigbee2006无线网络与无线定位实战》，北京航空航天大学出版社，2008年1月第1版； 2、王小强编著：《Zigbee无线传感器网络设计与实现》，化学工业出版社，2012年6月第1版； 3、郭渊博编著：《Zigbee技术与应用》，国防工业出版社，2010年6月第1版。（六）教学方法：课堂讲授，课堂演示，师生互动，理论与实验结合教学。 (七) 教学手段：多媒体教学。 (八) 考核方式：闭卷考试。 (九) 学生创新精神与实践能力的培养方法：结合实验、具体应用、小组讨论等方式使学生掌握Zigbee技术开发的基本方法，提高学生分析问题和解决问题的能力，培养学生的动手能力和创新能力。 (十) 其它要求：严格考勤，学生课堂表现和实验完成情况占学生成绩的30%，期末成绩占70%。

第一章无线传感器网络教学时数：2学时教学目的与要求：主要让学生理解无线传感网络的主要概念，了解无线传感网络的发展历程、研究现状与研究前景、应用领域，掌握无线传感网络的特点、网络体系结构、关键技术。教学重点：无线传感器网络体系结构。教学难点：无线传感器网络的关键技术。第一节无线传感器网络概述(了解) 1.无线传感器网络的概念：无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。 2.无线传感器网络的发展历程：第一阶段:最早可以追溯至越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，“胡志明小道”是胡志明部队向南方游击队输送物资的秘密通道，美军对其进行了狂轰滥炸，但效果不大。后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。第二阶段:二十世纪80年代至90年代之间。主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。第三阶段:21世纪开始至今，也就是9·11事件之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了应用于反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室－－橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。 3.无线传感器网络研究现状：（1）国外无线传感器网络的研究现状 1998年，美国国防部提出了“智能尘埃”的概念，最先开始无线传感器网络技术的研究，目的是为监控敌方的活动情况而不被察觉。2001年，美国陆军提出“灵巧传感器网络通信”计划，将无人值守式弹药、传感器和未来战斗系统

ZigBee网络地址的分配

ZigBee网络地址的分配一、ZigBee 有两种类型的地址：一种是64 位IEEE 地址，即MAC 地址，另一种是16 位的网络地址。（1）64 位的IEEE地址是一个全球唯一的地址，一经分配就将跟随设备一生。它通常由制造商或者被安装时设置。这些地址由IEEE 组织来维护和分配。问题：用Z-stack 协议栈编程，64位IEEE地址是否是芯片自带的，还是需要在编程时给予赋值？这点需要继续深入研究后找出答案（2）16 位网络地址是当设备加入网络后分配的，它在网络中是唯一的，用来在网络中鉴别设备和发送数据。二、网络地址的分配（1）ZigBee使用分布式寻址方案来分配网络地址。这个方案保证整个网络中所有分配出去的地址都是唯一的，同时，这个寻址算法本身的分布特性保证设备只能与它的父辈设备通讯来接收一个唯一的网络地址。（2）在每个路由加入之前，寻址方案需要知道和配置一些参数，这些参数是：MAX_DEPTH，MAX_ROUTERS，MAX_CHILDREN。这些参数是协议栈的一部分，在ZigBee2006中MAX_DEPTH = 5，MAX_ROUTERS = 6，MAX_CHILDREN = 20。（a）MAX_DEPTH 决定了网络的最大深度，协调器位于深度0 ，其子设备位于深度1，其子子设备位于深度2 （b）MAX_CHILDREN 决定了一个路由或者一个协调器节点可以处理的子节点的最大个数（c）MAX_ROUTERS 决定了一个路由或者协调器节点可以处理的具有路由功能的子节点的最大个数，这个参数是MAX_CHILDREN 的一个子集。（3）如果开发时想改变这些值，需完成以下几个步骤：（a）首先要保证这些参数的新植要合法，整个地址空间不能超过2 ，这就限制的参数

基于ZigBee技术的无线考勤系统设计毕业设计

基于ZigBee技术的无线考勤系统设计作者姓名：郭帅指导老师：金中朝摘要：系统基于ZigBee个域网协议和嵌入式系统，使刷卡设备和考勤统计系统分离，具有组网方便，安装拆卸简单，扩容性好，无需布线等特点，可以减少因线路故障带来的损失和不便，提高了系统的稳定性和可靠性。并完成了ZigBee网络的搭建与优化，嵌入式数据库Sqlite的移植以及嵌入式QT的开发等。关键字：ZigBee, 射频卡考勤，嵌入式网关 1 绪论随着信息化时代的到来，我们生活的各方面都和信息化息息相关。社会的管理和资金的流通也已经进入信息化的革命。非接触IC卡“一卡通”便是信息化革命的产物之一。本系统设计的目的是为了实现考勤数据采集、数据统计和信息查询过程的无线化和自动化。方便用户对考勤数据的保存和导出。ZigBee是进入21世纪后来出现的一种新型无线通信技术，该协议具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的特点，在智能家居、智能楼宇自动化、工业智能监等控领域具有非常宽广的市场空间。随着多家芯片制造商推出支持ZigBee协议的片上系统解决方案，越来越多的无线控制系统采用ZigBee技术。系统基于ZigBee个域网协议和嵌入式系统，使刷卡设备和考勤统计系统分离，与目前广泛使用的有线考勤系统相比，具有组网方便，安装拆卸简单，扩容性好，无需布线等特点，可以减少因线路故障带来的损失和不便，提高了系统的稳定性和可靠性。本文首先介绍了系统的总体拓扑结构，然后详细阐述了刷卡设备和网关设备的硬件设计和软件开发过程，其中包括刷卡驱动电路设计，ZigBee协议栈应用程序设计，QT应用软件设计，Sqlite数据库移植方法等。

zigbee网络建立过程简介

协调器发起建立一个新网络的进程后，网络层管理实体将请求MAC子层对信道进行扫描。信道扫描包括能量扫描和主动扫描两个过程。首先对用户指定的信道或物理层所有默认的信道进行一个能量扫描，以排除干扰。网络层管理实体将根据信道能量测量值对信道进行一个递增排序，并且抛弃能量值超过了可允许能量值的信道，保留可允许能量值内的信道等待进一步处理。接着在可允许能量值内的信道执行主动扫描，网络层管理实体通过审查返回的PAN描述符列表，确定一个用于建立新网络的信道，该信道中现有的网络数目是最少的，网络层管理实体将优先选择没有网络的信道。如果没有扫描到一个合适的信道，进程将被终止，网络层管理实体通过参数仠为STARTUP_FAILURE的的原语来通知上层初始化启动网络失败。 3、配置网络参数如果扫描到一个合适的信道，网络层管理实体将为新网络选择一个PAN描述符，该PAN描述符可以是由设备随机选择的，也可以是在里指定的，但必须满足PAN描述符小于或等于0x3fff，不等于0xffff，并且在所选信道内是唯一的PAN描述符，没有任何其它PAN描述符与之是重复的。如果没有符合条件的PAN描述符可选择，进程将被终止，网络层管理实体通过参数值为STARTUP_FAILURE的的原语来通知上层初始化启动网络失败。确定好PAN描述符后，网络层管理实体为协调器选择16位网络地址0x0000，MAC子层的macPANID参数将被设置为PAN描述符的值，macShortAddress PIB参数设置为协调器的网络地址。 4、运行新网络网络参数配置好后，网络层管理实体通过原语通知MAC层启动并运行新网络，启动状态通过原语通知网络层，网络层管理实体再通过原语通知上层协调器初始化的状态。 5、允许设备加入网络只有ZigBee协调器或路由器才能通过原语来设置节点处于允许设备加入网络的状态。当发起这个进程时，如果PermitDuration参数值为0x00，网络层管理实体将通过原语把MAC层的 macAssociationPermit PIB属性设置为FALSE，禁止节点处于允许设备加入网络的状态；如果 PermitDuration参数值介于0x01和0xfe之间，网络层管理实体将通过原语把macAssociationPermit PIB属性设置为TRUE，并开启一个定时器，定时时间为PermitDuration，在这段时间内节点处于允许设备加入网络的状态，定时时间结束，网络层管理实体把MAC层的macAssociationPermit PIB属性设置为FALSE；如果PermitDuration参数的值为0xff，网络层管理实体将通过原语把

ZigBee协议架构

编号：_______________本资料为word版本，可以直接编辑和打印，感谢您的下载 ZigBee协议架构甲方：___________________ 乙方：___________________ 日期：___________________

(application layer,APL )架构. 图1 zigbee协议栈体系结构物理层规范物理层定义了它与MAC层之间的两个接口：数据服务接口PD-SAP和管理服务接口PLME-SAP其中PD-SAP接口还为物理层提供了相应的数据服务，负责从无线物理信道上收发数据,而PLME-SAPg口同时为物理层提供相应的管理服务，用丁维护一个由物理层相关数据组成的数据库。物理层负责数据的调制、发送和接收、空闲信道评估(clear channel assessment,CCA)信道能量的监测(energy detect,ED )和链接质量指示(link quality indication , LQI)等。物理层帧结构由同步头、物理层帧头和物理层*效载荷三部分组成，如表1所示。同步头乂包括32bit的前同步码和8bit的帧定界符，前同步码用来为数据收发提供码元或数据符号的同步；帧界定符用来标识同步域的结束及数据的开始。物理层帧头包括7bit的帧长度和1bit的预留位，帧长度定义了物理层净荷的字节数。物理层有效载荷就是MAC层的帧内容。表一物理层帧格式

媒体接入控制层规范 MAC层定义了它与网络层之间的接口，包括提供给网络层的数据服务接口MLDE-SAFffi管理服务接口MLME-SAP同时提供了MAC层数据服务和MAC层管理服务。MA@数据服务主要实现数据帧的传输；MAC层管理服务主要负责媒介访问控制、差错控制等。 MAC层主要功能包括以下几个方面： (1) ZigBee协调器产生网络信标 (2) 设备与信标同步 (3) 支持节点加入或着退出操作 (4) 信道接入方式采用免冲突载波检测多路访问(CSMA-CA机制 (5) 建立并维护保护时隙机制 (6) 为设备提供安全支持 MAC帧格式由三个基本部分组成：MAC帧头、MAC帧载荷和MAC帧尾。不同类型的MAC帧，其帧头和帧尾都是一样的，只是MAC帧载荷有差别，通用MAC帧格式如表2所小。表二通用MA#格式网络层规范网络层定义了它与应用层之间的接口 ,包括提供给应用层的数据服务接口 NLDE-SAP管理服务接口NLME-SAP，同时提供了网络层数据服务和网络层管理服务。网络层主要负责拓扑结构的建立和网络的维护，具体的功能如下： (1) 初始化网络，即建立一个新的包含协调器、路由器和终端设备的网络 (2) 设备连接和断开时所采用的机制 (3) 对一跳邻居节点的发现和相关节点信息的存储 (4) ZigBee协调器和路由器为新加入节点分配短地址（5）确保MAC正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口网络层帧结构包括网络层帧头（Network header, NHR和网络层载荷（Network payload,NPL）两部分，其中网络层帧头域由帧控制域、目的设备地址、源设备地址、广播半径和广播序列号等部分组成，通用网络帧的结构如表3所示。表3通用网络层帧结构

zigbee网络建立过程简介(G1)知识讲解

z i g b e e网络建立过程简介(G1)

星形网络和树型网络可以看成是网状网络的一个特殊子集，所以接下来分析如何组建一个Zigbee网状网络。组建一个完整的Zigbee网络分为两步：第一步是协调器初始化一个网络；第二步是路由器或终端加入网络。加入网络又有两种方法，一种是子设备通过使用MAC层的连接进程加入网络，另一种是子设备通过与一个先前指定的父设备直接加入网络。一、协调器初始化网络协调器建立一个新网络的流程如图1所示。图1 协调器建立一个新网络 1、检测协调器建立一个新的网络是通过原语NLME_NETWORK_FORMATION.request发起的，但发起 NLME_NETWORK_FORMATION.request原语的节点必须具备两个条件，一是这个节点具有ZigBee协调器功能，二是这个节点没有加入到其它网络中。任何不满足这两个条件的节点发起建立一个新网络的进程都会被网络层管理实体终止，网络层管理实体将通过参数值为INVALID_REQUEST的 NLME_NETWORK_FORMATION.confirm的原语来通知上层这是一个非法请求。 2、信道扫描协调器发起建立一个新网络的进程后，网络层管理实体将请求MAC子层对信道进行扫描。信道扫描包括能量扫描和主动扫描两个过程。首先对用户指定的信道或物理层所有默认的信道进行一个能量扫描，以排除干扰。网络层管理实体将根据信道能量测量值对信道进行一个递增排序，并且抛弃能量值超过了可允许能量值的信道，保留可允许能量值内的信道等待进一步处理。接着在可允许能量值内的信道执行主动扫描，网络层管理实体通过审查返回的PAN描述符列表，确定一个用于建立新网络的信道，该信道中现有的网络数目是最少的，网络层管理实体将优先选择没有网络的信道。如果没有扫描到一个合适的信道，进程将被终止，网络层管理实体通过参数仠为STARTUP_FAILURE的NLME_NETWORK_FORMATION.confirm的原语来通知上层初始化启动网络失败。 3、配置网络参数

zigbee网络拓扑结构及节点设计

zigbee网络拓扑结构及节点设计发布: 2011-9-1 | 作者: —— | 来源:xiejunxia| 查看: 449次| 用户关注： 1引言基于zigbee技术的无线传感器网络适用于网点多、体积小、数据量小，传输可靠、低功耗等场合，在环境监测、无线抄表、智能小区、工业控制等领域已取得一席之地[1]。同时，zigbee规范与协议日臻完善[2]。从zigbee1.0、zigbee1.1到目前最新的zigbee2007/pro，zigbee协议规范的演进对硬件系统提出了更高的要求[3]。2设计要求2.1zigbee网络结构从网络结构上看，zigbee网络有星形，树形，网状3种模式，按照网络节点功能划分可分为终 1 引言基于zigbee技术的无线传感器网络适用于网点多、体积小、数据量小，传输可靠、低功耗等场合，在环境监测、无线抄表、智能小区、工业控制等领域已取得一席之地[1]。同时，zigbee规范与协议日臻完善[2]。从zigbee1.0、zigbee1.1到目前最新的zigbee2007/pro，zigbee协议规范的演进对硬件系统提出了更高的要求[3]。 2 设计要求 2.1 zigbee网络结构从网络结构上看，zigbee网络有星形，树形，网状3种模式，按照网络节点功能划分可分为终端节点(ep)、路由器节点(rp)和协调器节点(cp)3种[2]。其组织结构如图1示。图1 zigbee网络拓扑结构其中，协调器节点负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设备加入网络;路由器节点支撑网络链路结构，完成数据包的转发;终端节点是网络的感知者和执行者，负责数据采集和可执行的网络动作[2]。这就要求zigbee网络节点需扮演终端感知者、网络支持者、网络协调者3种角色。

zigbee网络体系结构

Zigbee体系 Zigbee的体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上一层提供特定的服务:即由于数据服务实体提供数据传输服务;管理实体提供所有的其她管理服务。每个服务实体通过相应的服务接入点(SAP)为其上层提供一个接口,每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。 Zigbee网络体系结构 IEEE仅处理低级MAC层与物理层协议,因此zigbee联盟对其网络层协议与API进行了标注化,zigbee联盟还开发了安全层。 Zigbee物理层物理层定义了物理无线信道与MAC子层之间的接口,提供物理层数据服务与物理层管理服务物理层数据服务从无线物理信道上收发数据。物理管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。物理层内容: （1）zigbee的激活（2）当前信道的能量检测（3）接收链路服务质量信息（4）Zigbee信道接入方式（5）信道频率选择（6）数据传输与接收 MAC层: MAC层负责处理所有的物理无线信道访问,并产生网络信号、同步信号;支持PAN连接与分离,提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。 MAC层数据服务:保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中正确收发 MAC层管理服务:维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。 MAC层功能“ （1）网络协调器产生信标; （2）与信标同步（3）支持PAN链路的建立与断开

（4）为设备的安全性提供支持（5）信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入(CSMA-CA)机制（6）处理与维护保护时隙(GTS)机制（7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路网络层 Zigbee协议栈的核心部分在网络层,网络层主要实现节电加入或离开网络、接收或抛弃其她节点、路由查找及传送数据等功能,支持Cluster-Tree等多种路由算法,支持星行、树形、网络拓扑结构。下图为拓扑结构网络层功能（1）网络发现（2）网络形成（3）容许设备连接（4）路由器初始化（5）设备网络连接（6）直接将设备同网络连接（7）断开网络连接（8）重新复位设备（9）接收机同步（10）信息库维护应用层 Zigbee应用层框架包括应用支持层(ASP)、zigbee设备对象(ADO)与制造商所定义的应用对象应用支持层的功能包括:维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。所谓绑定就就是基于两台设备的服务与需求将她们匹配地连接起来 Zigbee设备对象的功能包括:定义设备在网络中的角色(如zigbee协调器与终端设备),发起与响应绑定请求,在网络设备之间建立安全机制。Zigbee设备对象还负责发现网络中的设备,并且决定向她们提供何种应用服务。 Zigbee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外,一个重要的功能就是应用者可在这层定义自己的应用对象。